大型原油碼頭船舶系泊試驗(yàn)研究

張萬威，王 晟，王 靜，陳國平，嚴(yán)士常*

(1.海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(河海大學(xué))， 南京 210098；2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院， 南京 210098；3.上海灘涂海岸工程技術(shù)研究中心，上海 200061)

近年來，我國沿海港口建設(shè)逐漸向深水化、船舶大型化發(fā)展，相對于傳統(tǒng)碼頭建設(shè)，這對技術(shù)層面提出了更高的要求。由于船舶停泊水域的風(fēng)、浪、流等自然環(huán)境條件隨機(jī)性較強(qiáng)，在外界環(huán)境的綜合動(dòng)力荷載作用下，系泊船舶的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及受力情況更為復(fù)雜。系泊船舶運(yùn)動(dòng)幅度過大會(huì)影響碼頭正常作業(yè)，纜繩受力過大會(huì)導(dǎo)致斷纜，造成嚴(yán)重的損失[1]。我國現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范[2]指出系泊船舶在風(fēng)、浪、流作用下的綜合運(yùn)動(dòng)情況可通過物理模型試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬試驗(yàn)確定。林尚飛等[3]通過船舶泊穩(wěn)試驗(yàn)，研究了不同泊位長度、系纜墩布置型式及船舶帶纜方式對船舶系纜力、運(yùn)動(dòng)量、護(hù)弦撞擊力及撞擊能量的影響。李焱等[4]通過整體物理模型試驗(yàn)，以船舶運(yùn)動(dòng)量和系纜力為衡量標(biāo)準(zhǔn)，得到不同風(fēng)、流條件下船舶安全作業(yè)和系泊的允許波浪波高及周期，并建議油船縱、橫移運(yùn)動(dòng)量最大允許值取2 m較為合適。高峰等[5]通過物理模型試驗(yàn)，分別對26.6萬m3船型在 370 m和390 m兩種泊位長度進(jìn)行了對比論證，并對兩種系纜方式(3322和4222)進(jìn)行了對比試驗(yàn)。耿寶磊等[6]通過物理模型試驗(yàn)，對14 000 DWT駁船在風(fēng)、波浪荷載不同組合工況下船舶系泊運(yùn)動(dòng)量、纜繩拉力、護(hù)舷承受的撞擊力，以及船舶靠泊產(chǎn)生的撞擊力和撞擊能量進(jìn)行了研究。陳春升[7]運(yùn)用不規(guī)則波及規(guī)則波作用、物理模型和數(shù)學(xué)模型、船艏艉對調(diào)試驗(yàn)對比等多種研究手段對碼頭長度370 m、26.6萬m3LNG船在不同風(fēng)、浪、流組合作用下的船舶運(yùn)動(dòng)量、系纜力和撞擊力進(jìn)行了研究，以達(dá)到LNG船舶安全系泊的要求。王志斌等[8]通過30萬t級(jí)散貨碼頭系泊物理模型試驗(yàn)，在風(fēng)、浪、流組合工況下，對不同系泊方式的系纜力和船舶運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，最后得出流向和纜繩長度對系纜張力有顯著影響。朱奇等[9]通過物理模型試驗(yàn)，研究了風(fēng)、浪、流共同作用下系泊船舶的運(yùn)動(dòng)量和系纜力，分析了泊位長度與系纜方式對系泊船舶的影響，最后得出較短的泊位長度對橫向運(yùn)動(dòng)有較好的約束，能減少艏艉纜及倒纜的受力。

準(zhǔn)確確定大型碼頭船舶作業(yè)和系泊安全條件是碼頭工程設(shè)計(jì)中的重要問題之一，本次研究通過船舶系泊物理模型試驗(yàn)，分別對風(fēng)、浪、流不同組合工況下的纜繩系纜力、船舶運(yùn)動(dòng)量以及系纜方式等進(jìn)行了試驗(yàn)研究，可為設(shè)計(jì)和運(yùn)營提供參考。

1 物理模型試驗(yàn)布置

試驗(yàn)在河海大學(xué)波浪港池中進(jìn)行，港池長40 m、寬30 m、深1.2 m。港池的四周設(shè)置消浪緩坡，來消除波浪二次反射影響，港池內(nèi)配有可移動(dòng)式造波機(jī)，可產(chǎn)生試驗(yàn)所要求的3個(gè)方向的不規(guī)則波浪。物理模型整體布置如圖1所示，試驗(yàn)遵循JTS/T 231-2021《水運(yùn)工程模擬試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》[10]，采用正態(tài)比尺，主要考慮因素為重力相似，綜合考慮確定模型幾何比尺為1∶58，本試驗(yàn)原油碼頭布置在新建防波堤內(nèi)測，與防波堤平行布置。防波堤主要由堤心石和護(hù)面塊體組成，防波堤布置照片如圖2所示，碼頭結(jié)構(gòu)由有機(jī)玻璃進(jìn)行模擬，通過在護(hù)舷傳感器底部增加木板使得護(hù)舷的重心高程與原型相似，通過調(diào)整橡膠成分和護(hù)舷傳感器頂部重物質(zhì)量使模型護(hù)舷的力學(xué)性能曲線與原型相似，橡膠護(hù)舷模型模擬曲線如圖3所示。纜繩模型由相同的纜繩合并采用一根纜繩模擬，采用基本無彈性(本次試驗(yàn)測力范圍內(nèi))的鋼絲與多級(jí)彈簧鋼片的組合體模擬，通過改變彈簧鋼片的長度來模擬不同的拉力-伸長曲線，以達(dá)到拉力-伸長相似。同時(shí)，纜繩的長度、系纜位置以及系纜角度也與原型相似。船舶模型采用玻璃鋼制作，與原型保持幾何相似。對船舶的不同載重狀況分別采用鐵制砝碼壓載配重，使船舶模型滿足吃水、重量、重心位置、質(zhì)量慣性矩和自振周期等與原型相似。

圖1 模型布置圖

圖2 防波堤布置照片

30萬t級(jí)油船纜繩采用直徑Ф 44 mm纖維芯鋼纜, 每根纜繩配11 m Φ 96 mm尼龍尾纜，經(jīng)過系纜方式比選試驗(yàn)后，確定纜繩布置采用4∶2∶2∶2方式，共計(jì)20根纜繩，15萬t級(jí)油船纜繩采用直徑Ф 38 mm纖維芯鋼纜, 每根纜繩配11 m Φ 80 mm尼龍尾纜，纜繩布置采用2∶2∶2∶2方式，共計(jì)16根纜繩，5萬t級(jí)油船纜繩采用直徑Ф 28 mm纖維芯鋼纜, 每根纜繩配11 m Φ 60 mm尼龍尾纜，纜繩布置采用2∶2∶2∶2方式，共計(jì)16根纜繩。30萬t和15萬t級(jí)油船單根纜繩初始拉力調(diào)整為100 kN，5萬t級(jí)油船單根纜繩初始拉力調(diào)整為60 kN。外側(cè)靠船墩橡膠護(hù)舷規(guī)格為兩鼓一板SUC2500H鼓型標(biāo)準(zhǔn)反力橡膠護(hù)舷，內(nèi)側(cè)靠船墩橡膠護(hù)舷規(guī)格為一鼓一板SUC2500H鼓型標(biāo)準(zhǔn)反力橡膠護(hù)舷。

不規(guī)則波波譜采用JONSWAP譜，譜峰因子γ取值為3.3,水流荷載和風(fēng)荷載模擬均滿足重力相似，試驗(yàn)時(shí)采用掛重法進(jìn)行模擬。試驗(yàn)采用六自由度運(yùn)動(dòng)測量儀測量船舶的六分量，纜繩力和船舶擠靠能量分別通過傳感器(圖4)測量，采集頻率為100 Hz。試驗(yàn)船型為30萬t、15萬t、5萬t油船，船舶裝載狀態(tài)包括滿載、壓載。試驗(yàn)分別測量了三種船型在表1的試驗(yàn)環(huán)境不同組合工況下纜繩系纜力、船舶運(yùn)動(dòng)量、護(hù)舷撞擊力及撞擊能量，總計(jì)215組。為保證試驗(yàn)的可靠性，試驗(yàn)時(shí)每種工況重復(fù)3次，取3次測量數(shù)據(jù)的平均值為最終結(jié)果。

圖4 護(hù)舷傳感器

表1 試驗(yàn)環(huán)境條件

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

系纜力分布不均勻是造成船舶系泊狀態(tài)下纜繩斷纜的原因之一，因此需要選擇合適的系纜方式使得各纜繩拉力分布盡量均勻，定義各纜繩拉力標(biāo)準(zhǔn)差與均值的比值σ/x為纜繩拉力不均勻系數(shù)，特別說明，本文所呈現(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)均是通過試驗(yàn)測量值乘以模型比尺因子換算得到的原型值，并且本文中的各組系纜力均是單根纜繩的系纜力。由于篇幅的限制以30萬t級(jí)油船系泊試驗(yàn)的各組數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析。

2.1 系纜方式比選試驗(yàn)

試驗(yàn)中對30萬t級(jí)油船的不同系纜方式進(jìn)行了比選，分別采用4222布置和2332布置，其系纜布置如圖5所示。如圖6和圖7所示，在W方向波浪作用下，兩種系纜方式的各組纜繩系纜力極值及運(yùn)動(dòng)量極值差別不大，2332的橫移和縱移均比同組的4222稍大，而4222系纜方式條件下各組纜繩受力更均勻，其纜繩拉力不均勻系數(shù)均比同組的2332小30%，2332系纜方式導(dǎo)致船舶的艏橫纜受力較大，故后續(xù)30萬t級(jí)油船系泊試驗(yàn)均采用4222系纜方式。

圖5 30萬t級(jí)油船系纜布置圖

7-a 橫移、縱移、升沉 7-b 橫搖、縱搖、回旋

2.2 系纜力分析

在不同的風(fēng)、浪、流組合情況下，不同船型、不同載度的油船系纜力變化較為復(fù)雜。

根據(jù)課題組多年從事船舶系泊試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)[11-13]和本次試驗(yàn)的結(jié)果，得到結(jié)論：對于系泊系統(tǒng)的動(dòng)力因素波浪、水流和風(fēng)來說，波浪的影響程度為三者中的最大。其中，在壓載時(shí)，風(fēng)的影響程度比水流大，在滿載時(shí)，水流的影響程度比風(fēng)大，在采用《系泊設(shè)備指南》[14]計(jì)算風(fēng)荷載和水流荷載時(shí)，風(fēng)荷載主要與船舶吃水線以上的受力面積有關(guān)，而水流荷載主要與船舶吃水線以下的受力面積有關(guān)，這導(dǎo)致兩者在不同載度時(shí)對系泊系統(tǒng)的影響程度不同。從圖8可以看出，15萬t壓載油船僅在SSW方向的波浪作用下，隨著波高的增大船舶系纜力相應(yīng)增大，且不同位置的纜繩對波高增大的響應(yīng)程度不一，艏纜、艏橫纜隨著波高的增大，船舶系纜力增大明顯，艉纜、艉橫纜在波浪波高為2.5 m和2 m時(shí)得到的系纜力接近，這是因?yàn)樵摯a頭受到防波堤掩護(hù)作用。從圖9可以看出，波浪周期對船舶系纜力影響尤其明顯，H4%=2.5 m，T=10 s的波浪在單獨(dú)作用和風(fēng)浪流共同作用時(shí)均使30萬t油船各組纜繩的系纜力嚴(yán)重超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，與H4%=2.5 m，T=8 s的波浪作用時(shí)的系纜力對比，較長周期波浪作用船舶時(shí)的系纜力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于短周期波浪作用時(shí)的值，這是因?yàn)?0萬t級(jí)油船在壓載時(shí)橫、縱搖周期為10 s左右，產(chǎn)生共振使得船舶搖擺幅度變大，并且較長周期波浪自身的能量比短周期波浪大，根據(jù)試驗(yàn)中碼頭前沿波高的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得到，10 s波浪的波長平均是8 s波浪的1.62倍，對于船舶的沖擊作用也更大。

圖8 15萬t壓載油船在SSW向波浪作用下纜繩系纜力隨波高變化

不同波向?qū)ο道|力的影響有較大差異。由以往文獻(xiàn)得知[15]，一般情況下相同波高、周期作用下，橫浪作用下的系纜力要比順浪和斜浪大得多。表2是試驗(yàn)所得的各船型船舶在各個(gè)浪向不同載度時(shí)的船舶極限波高，即系泊船舶所能承受的最大波高，在此波高的波浪作用下，船舶的各組纜繩系纜力均滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在W向波浪作用時(shí)，波向?qū)τ诖盀?0°橫浪，在同等工況下系纜力比SSW向作用時(shí)大，在ENE向波浪作用時(shí)，波浪從北側(cè)堤頭繞射，形成使船舶推離碼頭的橫浪，得到的船舶極限波高與W向接近。該試驗(yàn)碼頭與開敞式碼頭不同，由于碼頭位于防波堤的內(nèi)側(cè)，碼頭前沿既有繞射波浪也有順堤波浪，波況較為復(fù)雜，導(dǎo)致系泊船舶的系纜力前后分布不均勻，運(yùn)營期間應(yīng)根據(jù)實(shí)際波況及時(shí)調(diào)整纜力。

表2 各船型船舶在各個(gè)浪向不同載度時(shí)的船舶極限波高

試驗(yàn)時(shí)同一船舶在兩個(gè)水位同種工況下得到的船舶系纜力互有大小且相差不大。這是因?yàn)樵囼?yàn)時(shí)計(jì)算風(fēng)荷載不再計(jì)及設(shè)計(jì)水位不同帶來的風(fēng)荷載的微小差別，只需在水位發(fā)生變化時(shí)調(diào)節(jié)掛重位置使得風(fēng)力作用方向保證處于水平狀況，該試驗(yàn)兩個(gè)水位相差不大，相同工況下模擬風(fēng)荷載所用重物質(zhì)量相同，低水位時(shí)模擬水流荷載所用的重物比高水位的稍重一些，由于各纜繩長度與系纜角度隨著水位變化發(fā)生的變化也帶來了系纜力的些許不同。

圖10為30萬t油船壓載狀態(tài)下在波向W上不同風(fēng)、流荷載時(shí)船舶系纜力變化圖。由圖可得，橫吹開風(fēng)和90°的開流使得各組纜繩系纜力增加，且各組系纜力隨著風(fēng)速的增加而增加，艏艉橫纜系纜力增加幅度較其他位置要大。橫吹攏風(fēng)和攏流則會(huì)減小各組系纜力，減小幅度明顯，并使得各組纜繩系纜力更加均勻。多種環(huán)境荷載耦合時(shí)對船舶的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生不同的影響，產(chǎn)生的船舶系纜力不是各單一荷載作用的疊加，如圖11所示，15萬t級(jí)油船在波向W、高水位、壓載的情況下疊加了風(fēng)荷載和水流荷載反而使得系纜力不均勻系數(shù)從單浪作用下的0.27下降為0.25，各組纜力平均下降25%。

圖10 30萬t壓載油船在W向波浪作用下纜繩系纜力隨風(fēng)、流荷載變化

2.3 運(yùn)動(dòng)量分析

不同波向?qū)Υ斑\(yùn)動(dòng)量的影響有較大差異。從圖12可以看出，在SSW向波浪作用時(shí)，碼頭前沿既有繞射波浪也有順堤波浪，船舶運(yùn)動(dòng)量中縱移通常比橫移大，此時(shí)以縱移是否超標(biāo)為準(zhǔn)，在W向波浪作用時(shí)，船舶的橫移一般比縱移大，在ENE向波浪作用時(shí)，船舶的縱、橫移相差不大，均起到控制作用。船舶各運(yùn)動(dòng)量對橫吹開風(fēng)和90°的開流響應(yīng)程度不同，其中橫搖增加的程度最大。橫移在波浪浪向?yàn)镾SW、W時(shí)，橫吹開風(fēng)和90°的開流會(huì)使其增大，在ENE向波浪作用時(shí)，橫吹開風(fēng)和90°的開流對其影響較小。其他運(yùn)動(dòng)量對橫吹開風(fēng)和90°的開流響應(yīng)均較小。

圖12 不同波向運(yùn)動(dòng)量極值對比

波周期對運(yùn)動(dòng)量的影響較顯著。當(dāng)船舶本身固有周期接近波浪周期時(shí)，容易發(fā)生運(yùn)動(dòng)諧振，此時(shí)船舶的運(yùn)動(dòng)量則相對增大，如30萬t級(jí)油船在壓載時(shí)的橫搖周期為10.02 s，縱搖周期為9.76 s，使得縱移在10 s周期下最大達(dá)到6.65 m，橫移可達(dá)到1.28 m。此現(xiàn)象在5萬t級(jí)油船上較為明顯，該船型的自搖周期為6.44～18.21 s，使得縱移在8 s周期的波浪作用下最大達(dá)到1.4 m,此時(shí)雖然在允許運(yùn)動(dòng)量3 m以下，但是多個(gè)纜繩系纜力超標(biāo)，影響船舶的安全系泊。

根據(jù)JTS165-2013《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]，船舶裝卸作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)宜采用船舶主要運(yùn)動(dòng)分量的限值表示，查表可得，油船裝卸作業(yè)允許的船舶運(yùn)動(dòng)量為縱移、橫移均在0.5～2.0 m。該規(guī)定中提到原油碼頭系泊船舶其他的運(yùn)動(dòng)量，包括搖擺、升沉等，對于現(xiàn)代性能良好的輸油臂來說正常情況均是可以適應(yīng)的。國際航運(yùn)協(xié)會(huì)(PIANC ,1995)安全作業(yè)推薦的允許運(yùn)動(dòng)范圍標(biāo)準(zhǔn)，即油船允許最大縱、橫移的推薦值均為3 m，其他4個(gè)運(yùn)動(dòng)量沒有要求[16]。但在15萬t船舶試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)在船舶橫移在1 m附近，縱移在0.3 m附近時(shí)多個(gè)纜繩系纜力超標(biāo)，此時(shí)橫搖值突然增大到5°，大幅度的橫搖運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致纜繩的系纜力突然達(dá)到峰值，極其影響船舶的安全系泊。建議對油船系泊時(shí)除縱、橫移以外的運(yùn)動(dòng)量給予更多關(guān)注。

試驗(yàn)時(shí)同一船舶在兩個(gè)水位同種工況下得到的船舶運(yùn)動(dòng)量互有大小且相差不大。

3 結(jié)論

(1)對30萬t級(jí)油船的不同系纜方式進(jìn)行了比選，最終選擇的4222布置可以使得各組纜繩受力更加均勻，其纜繩拉力不均勻系數(shù)均比同組的2332小30%。(2)對于系泊系統(tǒng)的動(dòng)力因素波浪、水流和風(fēng)來說，波浪的影響程度為三者中的最大。其中，在壓載時(shí)風(fēng)的影響程度比水流大，在滿載時(shí)水流的影響程度比風(fēng)大。隨著波高的增大，船舶系纜力相應(yīng)增大。波浪周期的影響尤其明顯，較長周期的波浪作用船舶時(shí)的系纜力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于短周期波浪作用時(shí)的值。(3)不同波向?qū)Υ跋道|力和運(yùn)動(dòng)量的影響有較大差異，試驗(yàn)時(shí)同一船舶在兩個(gè)水位同種工況下得到的船舶系纜力、運(yùn)動(dòng)量互有大小且相差不大。多種環(huán)境荷載耦合時(shí)產(chǎn)生的船舶系纜力不是各單一荷載作用的疊加。(4)波浪周期對運(yùn)動(dòng)量的影響較顯著，當(dāng)船舶本身固有周期接近波浪周期時(shí)，容易發(fā)生運(yùn)動(dòng)諧振，此時(shí)船舶的運(yùn)動(dòng)量相對增大，建議對油船系泊時(shí)除縱、橫移以外的運(yùn)動(dòng)量給予更多關(guān)注。(5)本次試驗(yàn)中模擬了一期及二期所有防波堤，碼頭位于防波堤內(nèi)側(cè)，與開敞式碼頭不同，碼頭前沿既有繞射波浪也有順堤波浪，波況較為復(fù)雜，導(dǎo)致系泊船舶的系纜力前后分布不均勻，運(yùn)營期間應(yīng)根據(jù)實(shí)際波況及時(shí)調(diào)整纜力。